影响零件表面层机械特性的主要因素及其控制的基本方法

　　零件表面层的机械特性主要是指，在机械加工过程中，工件在切削力和切削热的作用下产生的变质层，即工件表面里层一定深度的材料层，表现的不同于工件基体材料基本机械性能的异常特性。
所谓“变质层”，是指在机械加工过程中工件表层材料在切削力和切削热的作用下沿晶面发生剪切滑移，致使晶格扭曲、晶粒拉长，严重时甚至金相组织发生变化，且具有一定深度的工件表面里层。变质层的异常特性常常用加工硬化、残余应力、平面磨床磨削烧伤这些概念来表征。
变质层表现出的加工硬化、残余应力、平面磨床磨削烧伤对零件的使用存在不同的影响，有时是有利的，有时是不利的。
(1)加工硬化
所谓“加工硬化”，是指毛坯(工件)经过机械加工后加工表面的硬度常常高于它的基体材料硬度的一种硬化现象。这是机械加工后零件表面变质层的一个特征。
在机械加工过程中，磨床切削力使加工面及其里层的金属晶格扭曲、晶粒拉长甚至破碎，产生很大的塑性变形，阻碍这里的金属进一步的变形，即使材料“强化”；与此同时，切削热又使这里的材料温度升高(在到达相变温度以前)，导致塑性变形引起的硬化得以缓解，即使材料“弱化”；当切削热引起的材料温度升高超过相变温度以后，情况较为复杂，由相变的具体情况确定。
加工硬化出现在加工表面及其里层一定深度范围内；不同的加工方法产生不同的里层深度，如表11所示。
表11 加工方法对加工硬化里层深度的影响示例追
加工方法

加工方法		工件材料	加工硬化层深度/um
			平均值	值
车削	粗车	低碳钢	30—50	200
	精车	低碳钢	20～60
镜削	端面铣	低碳钢	40一100	200
	嘲周铣	低碳钢	40～80	110

加工硬化是由材料的“强化”和“弱化”这两个变化过程综合作用的结果，通常情况下，导致加工后零件表面硬度增加。
在实际应用时，适当的加工硬化可以使零件表层硬度提高，增强零件的耐磨性和疲劳强度。然而，在某些情况下，例如，当加工硬化严重时，硬化会使加工表面出现显微裂纹，反而降低零件的耐磨性和疲劳强度，无益于发挥零件的功能。
在切削加工过程中，通常塑性变形起主要作用，因而控制(减轻)加工硬化的基本方法是：
①使用切削刃刃口圆弧半径大或(和)主、副偏角小的刀具进行加工，可以减轻加工表面层的塑性变形，缓解加工硬化现象。
②增加切削速度和减小进给量进行加工，也可以减轻加工表面层的塑性变形，缓解加工硬化现象。
③分析工件材料塑性的影响，例如，对于碳素结构钢，含碳量不同(越低)，塑性不同(越大)，硬化程度也不同(越严重)。此时，加工时应该根据不同情况采取适当的措施来减小塑性变形带来的不利影响。
除此之外，合适的冷却润滑依然是减轻加工硬化的一个不错的措施。
在平面磨床磨削加工过程中，平面磨床磨削温度常常是很高的，使加工表面层材料软化或金相组织发生变化。由于平面磨床磨削加工的情况不同，变质层的加工硬化变化也是不同的，因而此时的硬度变化规律是较为复杂的。
对于这种情况，人们应该根据实际情况采取相应的对策。
(2)残余应力
所谓“残余应力”，是指在机械加工后在没有外力作用的情况下零件表面留存的一种应力。残余应力又分为残余拉应力和残余压应力。这是机械加工后零件表面变质层的又一个特征。
1)残余应力产生的原因
①在切削过程中，工件表层受刀具的挤压和摩擦产生拉伸塑性变形，即所谓的“冷塑性变形”。这种冷塑性变形将使工件的表层产生残余压应力，里层产生残余拉应力。
在这种加工过程中，冷塑性变形起主导作用，残余压应力是影响残余应力数值的主要因素。
②在平面磨床磨削过程中，工件表层在摩擦热的作用下产生压缩塑性变形，即所谓的“热塑性变形”。这种热塑性变形将使工件的表层产生残余拉应力，里层产生残余压应力。
在这种加工过程中，热塑性变形起主导作用，残余拉应力是影响残余应力数值的主要因素。
③在切削或平面磨床磨削过程中，当工件表层温度超过金属材料的相变温度时，就会产生“相变残余应力”：工件的表层产生残余压应力，里层产生残余拉应力。
零件表面层的残余应力就是以上几个因素综合作用的结果。不同的加工方法在工件表面留存的残余应力示例如表12所示。
表12加工方法与残余应力示例①
加工方法 残余应力性质 残余应力数值/MPa
车削 　　　 ② 　　　　　 ③
平面磨床磨削 ④ 　　　 200～1000
铣削 　　　 ② 　　　　 600一1500
镀铬 表面为拉应力。里层为压应力 400
镀铜 表面为拉应力，里层为压应力 200
①引自王先逵.机械制造工艺学[M].3版.北京：机械工业出版社，2013。
②一般情况下，工件的表面为残余拉应力，里层为残余压应力；应力层深度在0.05—0.10mm范围内。当切削速度为500m/min时，则工件的表面为残余压应力，里层为残余拉应力。
③一般情况下，残余应力在200—800MPa范围内；当刀具磨损时，可达1000MPa。
④一般情况下，工件的表面为残余压应力，里层为残余拉应力；应力层深度在0.05—0.30mm范围内。
当残余应力(残余拉应力)超过材料的拉伸强度极*，工件表面就会出现裂纹。此外，工件表面出现裂纹还与工件材料(材质、硬度)有关，例如，在平面磨床磨削含碳量低于0.4％(质量分数)的钢材(低碳钢)时，不管怎么样，基本上不出现裂纹；防爆电气设备常用的普通钢材[Q235(含碳的质量分数为0.17％一0.22％)]就属这种情况。
2)残余应力的控制方法
在切削和平面磨床磨削加工过程中，由于残余应力是(冷或热)塑性变形和相变应力引起的，因而控制(减轻)残余应力的基本方法是：
①选择合适的刀具和切削速度、进给量、工件和磨具的旋转速度。
②选用合适的冷却润滑液对工件和刀具进行有效的冷却润滑。
(3)平面磨床磨削烧伤
所谓“平面磨床磨削烧伤”，是指在平面磨床磨削加工过程中工件表面层的温度超过工件材料的相变温度，引起材料的金相组织发生变化，继而表面层硬度增大，于是产生表面残余应力，乃至表面出现显微裂纹的一种“烧伤”现象。这是机械加工后零件表面变质层的另一个特征。
平面磨床磨削烧伤是平面磨床磨削加工的一个重要特征。零件平面磨床磨削烧伤的严重程度，可以用观察加工表面颜色的方法来判断：随着烧伤层深度的增加，加工表面氧化膜的颜色依次为浅黄色、黄色、紫褐色、青色等。这只是一个概念性的判断方法。
严重的平面磨床磨削烧伤会大大地降低零件的使用性能和使用寿命，甚至不能使用。
在平面磨床磨削过程中，大量的平面磨床磨削热是造成平面磨床磨削烧伤的直接因素，因而控制(减轻)平面磨床磨削烧伤的基本方法是：
①恰当地减小平面磨床磨削深度。
②合理地减小磨具与工件的接触面积和接触时间。
③充分地运用切削液对加工部位进行强制冷却。